Gravitația și genomul uman: ce arată un studiu cu microgravitație simulată
Cercetătorii de la Universitatea New York au construit un dispozitiv de laborator numit „random positioning machine”, capabil să simuleze microgravitația pentru celulele umane vii, permițând totodată imagistica genomului în timp real. Dispozitivul rotește vasele cu celule de-a lungul a două axe independente, urmând o traiectorie tridimensională care reproduce imponderabilitatea, similar echipamentelor mai mari folosite în antrenamentul astronauților.
Studiul, publicat în revista Science Advances, a urmărit să izoleze efectul gravitației asupra organizării și funcționării genomului. „Pe Pământ, rolul gravitației este intrigant – este un stres mecanic constant asupra tuturor lucrurilor”, a explicat Alexandra Zidovska, profesor asociat în Departamentul de Fizică al Universității New York și coordonatoarea studiului. „Am vrut să știm care este rolul gravitației în organizarea și funcționarea genomului aici, pe Pământ. Pentru a-l descoperi, trebuie să elimini gravitația ca forță, așa că am simulat imponderabilitatea în experimentele noastre.”
Genomul uman are o organizare ierarhică complexă: o secvență unidimensională codificată în 2 metri de molecule de ADN, compactată tridimensional într-un nucleu celular de doar aproximativ 10 micrometri, cam cât lățimea unei fibre de mătase. Structura sa este direct legată de funcție, iar abaterile de la aceasta pot duce la boli umane, precum cancerul și afecțiuni de dezvoltare. „Nu știm dacă sau cum prezența gravitației afectează această organizare și dacă absența gravitației ar cauza aberații genomice”, a observat Zidovska.
Pentru a elimina interferențele, cercetătorii au pregătit vase cu celule vii fără bule de aer, care pot afecta măsurătorile, și au dezvoltat algoritmi noi de rotație tridimensională care nu doar simulează microgravitația, ci și reduc la minimum fluxurile de lichid generate în mod normal de rotația 3D, dar inexistente în condiții de gravitație zero. De asemenea, au creat algoritmi pentru a investiga efectele fluxurilor asupra celulelor și genomului. Împreună, aceste progrese tehnologice au redus atât fluxurile, cât și formarea de agregate celulare, care adesea maschează efectele microgravitației simulate în studiile anterioare.
Cercetătorii au comparat celule expuse la microgravitație simulată cu fluxuri minimizate, celule expuse la fluxuri puternice și celule neexpuse deloc. După 24 de ore de expunere, au folosit tehnici de imagistică sofisticate pentru a înregistra serii de imagini și a realiza o analiză fizică detaliată: modificări ale formei și volumului celulei, ale formei și volumului nucleului, ale anvelopei nucleare, ale genomului și ale nucleolului – cel mai mare condensat lichid din nucleu.
Rezultatele au arătat că forma celulelor s-a alungit la expunerea la fluxuri, dar a rămas neschimbată la expunerea la microgravitație simulată. Volumul nucleului celular a crescut după expunerea la gravitație zero, indicând că gravitația îl diminuează. În ciuda modificărilor de formă și volum ale nucleului în gravitație zero, grosimea și structura anvelopei nucleare au rămas neschimbate, sugerând că gravitația are un impact minim asupra acestor trăsături. Genomul din interiorul nucleului celular și-a menținut organizarea și mișcările fiziologice după 24 de ore de expunere. Cercetătorii au arătat că microgravitația simulată nu cauzează daune ADN-ului; totuși, daunele ADN apar atunci când celulele sunt expuse la fluxuri. Nucleolul a devenit mai neted după expunerea la microgravitație simulată sau la fluxuri.
În ansamblu, o expunere de o zi a nucleului la microgravitație simulată a produs modificări destul de subtile, care, adaugă cercetătorii, s-ar putea amplifica în timp și apoi afecta fiziologia celulară. „Datele noastre arată că genomul, organizarea și dinamica sa sunt incredibil de robuste și par neafectate de gravitație, sau de absența ei, după 24 de ore”, a observat Zidovska. „În același mod, aceste rezultate sugerează că organizarea fizică a genomului uman ar putea suferi modificări minime în spațiul cosmic în intervale de timp comparabile. Cu toate acestea, astfel de modificări ar putea apărea în expuneri mai lungi și din cauza daunelor ADN-ului care apar în spațiu.”
„Dincolo de Pământ, întrebarea lipsei gravitației este de asemenea captivantă: cum va fi afectat genomul uman în spațiul cosmic?”, a continuat ea. „Credem că descoperirile noastre pot fi utile pentru a înțelege mai bine modul în care călătoriile spațiale ne afectează.”
La studiu au contribuit și Nikitas Kanellakopoulos, doctorand la NYU, studenții de licență Manav Patel, Brandon Sato și Melaina Lawrence, precum și Leif Ristroph, profesor asociat la Courant Institute School of Mathematics, Computing and Data Science din cadrul NYU.
